Физико-химические основы сталеплавильных процессов

Сталеплавильные процессы протекают при высоких температурах (1200...1650⁰С) в гетерогенных системах, в которых присутствуют две жидкие фазы (металл и шлак), две газовые фазы (выделяющиеся из ванны газы и атмосфера печи) и несколько твердых фаз (футеровка, твердые присадки, неметаллические включения и др.).

Для управления сталеплавильными процессами необходимо знание термодинамических законов, характеризирующих условия равновесия реакций и возможное их направление, и кинетических закономерностей, характеризирующих скорости протекания процессов и их лимитирующие звенья.

В уравнения, выражающие эти закономерности, входят концентрации реагирующих или диффундирующих веществ, которые ха-рактеризуют массу компонента на единицу массы или объема раствора.

1. Массовый процент (масса компонента, кг/100 кг раствора);

2. Число молей компонента на 100 г раствора (отношение массового процента к молекулярной или атомной массе компонента).

3. Молярная или атомная доля (отношение числа молей или грамм-атомов компонента к общему числу молей или грамм-атомов всех компонентов в растворе).

4. Ионная доля (отношение числа ионов данного сорта к общему числу ионов того же знака в растворе).

5. Объемная концентрация, применяемая в уравнениях диффузии (масса компонента на единицу объема раствора, кг/м3 или кг-моль/м3).

6. Парциальное давление в газовой фазе Pi (давление компонента в случае, если бы он занимал весь объем газовой фазы). Оно рав-но произведению мольной доли компонента Ni на общее давление в газовой фазе Pобщ:

(2.1)

Обозначение концентраций: [ ] - в металле; () - в шлаке; { } - в газе.

На протекание сталеплавильных процессов существенно влияет температура t.

Если в системе достигнуто равновесие, то в соответствии с принципом Ле-Шателье и Вант-Гоффа повышение температуры способствует протеканию эндотермических, а понижение - протеканию экзотермических реакций. Однако, если равновесие не достигнуто, то с повышением температуры возрастает скорость всех реакций. Это обусловлено тем, что с ростом температуры увеличивается эффективность столкновения молекул или атомов реагирующих веществ и константы скорости реакций.

Рост температуры оказывает значительное влияние и на ускорение массопереноса компонентов к зонам реакций, что обусловлено понижением вязкости взаимодействующих фаз. Решающее значение имеет степень перегрева металла или шлака над температурой ликвидуса tл (начала кристаллизации):

(2.2)

так как с приближением t к tл резко возрастает вязкость жидкости и уменьшаются коэффициенты диффузии.

На температуру ликвидуса чугуна и стали наибольшее влияние оказывает содержание углерода в расплаве [%C] (другие примеси влияют слабо):

[%C] |4,0 |2,0 |1,5 |1,0 |0,5 |0,2 |0,1 |0
tл расплава Fe-C |1180 |1388 |1428 |1464 |1495 |1522 |1530 |1539

В начале плавки при высоком содержании углерода можно обеспечить сравнительно высокую скорость процессов при t = 1250...1400⁰С. По мере окисления углерода в металле температура должна непрерывно повышаться, чтобы сохранить необходимый перегрев (tл >= 50⁰С). В конце плавки значение tл должно быть около 100⁰С (температура металла равна 1580...1640⁰С).

При слишком большом перегреве металла наблюдается потеря производительности, перерасход топлива в мартеновском процессе, электроэнергии в электросталеплавильном процессе, чугуна и кислорода в кислородно-конвертерном процессе. Повышенный перегрев вызывает также ухудшение качества стали (газонасыщенность, трещины и повышенная ликвация в слитках). При низком значении tл также снижается качество стали и возрастают потери при разливке.

Наиболее выгодный температурный сталеплавильного процесса - это такой режим, который обеспечивает максимальную интенсивность протекания всех процессов и получение оптимального с точки зрения качества металла значения tл в конце плавки. Согласование скорости удаления примесей металла со скоростью его нагрева - главная сущность управления сталеплавильными процессами.

Многочисленные исследования показали, что если обеспечивается tл >= 50⁰С, химические реакции протекают с неограниченной скоростью, а скорость процессов в целом зависит от интенсивности массопереноса реагирующих веществ к зонам реакций. При таком пе-регреве скорость массообменных (диффузионных) процессов мало зависит от температуры и в основном определяется интенсивностью перемешивания фаз и поверхностью их контакта.